血脑屏障（BBB）是基因组疗法脑部递送的主要挑战，其会限制多数药物（尤其是大分子DNA/RNA类治疗剂）进入CNS。当前的脑内递送方式（如脑实质内注射、鞘内注射）多为有创操作，存在感染等副作用风险；虽有核苷酸化学修饰、配体偶联或纳米颗粒等非病毒递送平台显示出潜力，但经静脉注射实现CNS疾病广泛治疗的疗效仍有待提升。
病毒平台（如工程化AAV）可经静脉注射跨越BBB实现CNS广泛递送，并能实现基因的持续表达，但免疫反应会限制重复给药效果；非病毒平台虽基因表达持续时间较短，但支持重复给药，二者在基因组疗法发展中具有互补作用，本文重点聚焦非病毒递送平台的研究进展。
脂质纳米颗粒（LNPs）
定义：脂质纳米颗粒（LNPs）是一种由脂质分子自组装形成的非病毒递送载体，经典配方包含可电离脂质/阳离子脂质、辅助脂质、胆固醇、PEG-脂质偶联物四种核心成分，通过微流控技术与DNA或RNA类治疗剂（如mRNA、ASO）混合后，可形成能包裹并保护核酸的纳米级颗粒，是当前基因组疗法中用于脑部及全身递送的关键平台之一[Fig.1]。
Figure 1 脂质纳米颗粒（LNP）的制备配方功能
核酸保护与包裹：核心功能是高效包裹DNA或RNA，避免其在体内被核酸酶降解，维持治疗剂的结构稳定性与生物活性，为后续递送至靶细胞奠定基础。
细胞摄取与内体逃逸：通过可电离脂质的电荷作用促进细胞摄取，辅助脂质则帮助 LNPs 在进入细胞后突破内体膜（内体逃逸），将包裹的核酸释放到细胞质中，确保治疗剂能发挥基因调控作用（如mRNA翻译、ASO介导的基因沉默）。
脑部递送适配：经结构优化（如可电离脂质改造、表面修饰）或结合特定给药途径（如鞘内注射、聚焦超声辅助），LNPs可穿透血脑屏障（BBB）或直接作用于脑部局部区域，将核酸药物递送至脑内皮细胞、神经元、星形胶质细胞等靶细胞，用于中枢神经系统（CNS）疾病治疗。
优势
递送效率与临床验证：在mRNA疫苗领域已获广泛临床成功（如新冠mRNA疫苗），证明其良好的递送性能；经优化的LNPs（如MK16 BLNPs）静脉注射后，可编辑全脑16.7%的神经元和19.2%的星形胶质细胞，在胶质瘤、阿尔茨海默病等CNS疾病模型中展现出显著治疗潜力。
可设计性强：可通过调整可电离脂质结构、表面修饰（如偶联VCAM-1抗体、RVG29肽）或改变成分比例，优化LNPs的生物分布、BBB穿透性和细胞靶向性，适配不同脑部疾病的治疗需求。
支持重复给药：作为非病毒载体，LNPs引发的免疫反应（如中和抗体）较弱，可支持重复给药以维持长期治疗效果，这一点优于易引发免疫排斥的病毒载体。给药途径灵活：除传统静脉注射外，还可适配鞘内注射（靶向背根神经节）、脑实质内注射（局部治疗胶质瘤）、鼻内给药（非侵入性脑部递送）等多种途径，能根据疾病类型选择更精准的给药方式。
缺点
BBB穿透能力有限：未修饰的LNPs难以通过静脉注射有效跨越BBB，需依赖复杂的结构改造（如特殊可电离脂质设计）或外部辅助手段（如聚焦超声打开BBB），增加了研发难度与成本。
筛选与优化难度高：尽管有DNA条形码、Transwell模型等筛选技术，但LNPs的性能（如BBB穿透性、细胞靶向性）受脂质结构、配方比例等多因素影响，高效筛选和优化仍需大量实验验证，耗时耗力。
局部给药的侵入性：针对脑部的高效递送常依赖鞘内注射、脑实质内注射等侵入性途径，可能引发感染、组织损伤等副作用，限制了其在临床中的广泛应用（尤其需长期治疗的疾病）。
细胞靶向性待提升：现有LNPs虽能递送至脑部，但对特定细胞类型（如神经元vs星形胶质细胞）的选择性仍不足，部分LNPs主要富集于脑内皮细胞，可能影响治疗效率并增加脱靶风险。
聚合物
定义：聚合物是一类具有可设计结构的非病毒递送载体，通过化学合成或修饰可形成聚乙二醇（PEG）、聚乙烯亚胺（PEI）、聚β-氨基酯（PBAE）、树状大分子等多种类型；常通过conjugation技术连接肽、抗体、葡萄糖等靶向配体，或调整分子结构（如支化、线性），构建成能包裹DNA/RNA类治疗剂的纳米颗粒，是基因组疗法中实现脑部递送的重要平台之一[Fig.2]。
Figure 2 用于静脉注射脑部递送的聚合物化学结构功能
核酸负载与保护：通过正电荷与核酸的负电荷相互作用，或形成纳米级空腔结构，高效负载并包裹DNA质粒、siRNA、ASO等核酸药物，避免其被体内核酸酶降解，维持生物活性。
BBB穿透介导：经配体修饰（如偶联Angiopep-2肽、转铁蛋白受体抗体）后，可通过受体介导的转胞吞作用跨越血脑屏障（BBB）；例如Angiopep-2能结合脑内皮细胞上的低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1），引导聚合物纳米颗粒进入脑部。
脑部靶向递送与基因调控：可将核酸药物递送至脑部特定细胞（如神经元、胶质瘤细胞），实现基因编辑、基因沉默或蛋白表达；如PBAE-111负载BDNF mRNA经脑室内注射，能在阿尔茨海默病小鼠模型中改善认知功能，PEI-PLL-PEG-Angiopep-2可递送“自杀基因”治疗胶质瘤。
优势
结构与功能多样性：可通过调整单体组成、分子量、电荷密度或引入功能性基团（如可降解linker、靶向配体），精准调控聚合物的溶解性、生物降解性、细胞靶向性，适配不同脑部疾病（如胶质瘤、帕金森病）的治疗需求。高转染效率与稳定性：部分聚合物（如PBAE-447）在原代胶质瘤细胞中transfection效率超60%，且冻干后仍能保持稳定性（-20℃下可保存2年以上），便于储存与临床应用。
低免疫原性与安全性：相较于病毒载体，聚合物引发的免疫反应（如中和抗体）较弱，且可通过化学修饰（如PEGylation）降低细胞毒性；例如支化PEI经二硫键修饰（PEI-SS-PEG）后，生物安全性显著提升。适配多种给药途径：除静脉注射外，还可通过脑实质内注射、脑室内注射实现局部精准递送；如DA-PEI（脱氧胆酸偶联 PEI）负载HMOX1质粒经脑实质内注射，能减轻啮齿类动物急性脑卒中损伤。
缺点
系统性脑部递送效率低：未修饰的聚合物难以通过静脉注射有效跨越BBB，需依赖复杂的配体修饰或局部给药，限制了其在需全身给药的广泛性CNS疾病（如全脑退行性疾病）中的应用。
部分聚合物毒性较高：传统阳离子聚合物（如未修饰的PEI）因电荷密度过高，易破坏细胞膜完整性，导致细胞毒性；虽可通过PEGylation、可降解结构设计降低毒性，但仍需平衡毒性与递送效率。
临床转化难度大：多数聚合物系统仍处于动物实验阶段，缺乏临床数据支持；且复杂的合成工艺（如精准的配体conjugation、结构调控）难以规模化生产，增加了临床转化的成本与难度。脑部分布不均：即使能穿透BBB，部分聚合物纳米颗粒仍倾向于富集在脑内皮细胞或特定脑区（如海马体），难以在全脑均匀分布，可能影响对广泛病变CNS疾病的治疗效果。
寡核苷酸偶联物
定义：寡核苷酸偶联物是一类通过化学修饰将寡核苷酸（如反义寡核苷酸ASO、小干扰RNA siRNA）与靶向配体（小分子、肽、抗体等）连接形成的递送系统，可通过配体介导的主动转运跨越生物屏障，是基因组疗法中针对中枢神经系统（CNS）疾病的重要非病毒递送平台，能提升寡核苷酸在脑部的富集效率与靶向性[Fig.3]。
Figure 3 寡核苷酸向脑部高效递送的策略功能
寡核苷酸保护与稳定性提升：通过化学修饰（如核苷酸骨架修饰、配体偶联）减少寡核苷酸被核酸酶降解的风险，延长其在体内的半衰期，确保能到达脑部发挥作用；例如胆固醇偶联的DNA/RNA异源双链可显著提升ASO在脑部的稳定性。
BBB穿透介导：配体（如靶向转铁蛋白受体的抗体、MK-0752衍生物）可与脑内皮细胞表面的受体或转运体结合，通过受体介导的转胞吞作用跨越血脑屏障（BBB）；如BBB穿透偶联物BCC10可借助γ-分泌酶介导的转胞吞作用进入脑部，实现寡核苷酸的脑部递送。
脑部基因调控：将寡核苷酸递送至脑部特定细胞（神经元、星形胶质细胞等），通过ASO介导的基因沉默、siRNA介导的mRNA 降解等机制，调控靶基因表达；例如C16-siRNA经鞘内注射可在脊髓和脑部实现高达90%和75%的mRNA敲低，BCC10-ASO可在ALS小鼠模型中实现基因沉默。
优势
靶向性与递送效率高：配体的特异性结合能力使其能精准靶向脑部细胞或BBB上的转运体，提升脑部富集效率；如抗体-寡核苷酸偶联物（AOCs）靶向转铁蛋白受体时，脑部积累量较非靶向抗体高10倍，OTV平台（抗体偶联ASO）可在猕猴脑部实现约50%的靶mRNA下调。
临床应用基础扎实：已有多款寡核苷酸药物获批用于CNS疾病，如ASO类药物nusinersen（鞘内注射治疗脊髓性肌萎缩症）、tofersen（鞘内注射治疗ALS），验证了寡核苷酸在脑部疾病治疗中的可行性，为偶联物的临床转化提供参考。作用持久且给药灵活：部分偶联物（如C16-siRNA）经单次鞘内注射可在非人灵长类脑部维持> 75%的基因沉默效果达2.5个月，减少给药频率；同时可适配静脉注射、鞘内注射、脑室内注射等多种途径，适配不同疾病需求。
安全性较好：相较于病毒载体，寡核苷酸偶联物免疫原性低，不易引发中和抗体反应，且可通过优化配体与linker结构减少脱靶效应，降低全身毒性。
缺点
BBB穿透依赖配体，适用范围有限：多数偶联物需依赖特定配体（如Angiopep-2、转铁蛋白受体抗体）实现BBB穿透，而配体的选择受脑部受体分布限制，对缺乏特定受体的脑区或细胞难以有效靶向，限制了其应用场景。
合成工艺复杂且成本高：寡核苷酸与配体的精准偶联（如位点特异性conjugation）需复杂的化学合成技术，尤其是抗体-寡核苷酸偶联物（AOCs）的制备工艺难度大、产量低，导致生产成本较高，不利于大规模临床应用。
脑部分布不均与深度递送不足：即使能跨越BBB，部分偶联物仍难以在全脑均匀分布，对深部脑区（如丘脑、纹状体）的递送效率较低；例如二价siRNA在脑部的沉默效率从海马体的90%降至丘脑、纹状体的50%，影响广泛病变CNS疾病的治疗效果。
部分偶联物影响寡核苷酸活性：直接将配体偶联到寡核苷酸上可能改变其空间结构，降低与靶mRNA的结合亲和力；虽可通过DNA/RNA异源双链（如胆固醇偶联互补RNA）改善，但仍需平衡偶联效率与寡核苷酸活性。
总结
基因组疗法为中枢神经系统（CNS）疾病（如神经退行性疾病、脑肿瘤）的治疗提供了变革性方向，但其临床应用的核心瓶颈仍在于血脑屏障（BBB）的限制——多数DNA/RNA类治疗剂难以穿透BBB，且现有递送方式（如脑实质内注射）存在侵入性风险。脂质纳米颗粒（LNPs）、聚合物、寡核苷酸偶联物三类非病毒平台通过化学策略优化，已成为突破脑部递送障碍的核心工具。
未来研究仍需进一步通过化学设计提升递送效率与特异性，例如：开发新型可电离脂质、聚合物骨架或寡核苷酸配体，增强BBB穿透能力与细胞选择性；利用机器学习工具结合递送数据，理性设计载体结构，减少筛选成本；优化linker化学（如biodegradable linker），平衡偶联稳定性与药物释放效率，降低脱靶风险。新兴递送平台的探索：除现有三类平台外，硅纳米颗粒（可靶向递送Cas9-sgRNA）、细胞外囊泡（如含逆转录病毒样衣壳的外泌体）等新兴载体，凭借高生物相容性与靶向潜力，有望成为脑部递送的补充工具，但需解决规模化生产与质量控制问题。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41570-025-00770-y
参考文献
Li H, Yu C, Markovic T, Nestler EJ, Dong Y. Chemical strategies for brain delivery of genomic therapy. Nat Rev Chem. 2025 Dec;9(12):841-854. doi: 10.1038/s41570-025-00770-y. Epub 2025 Nov 25. PMID: 41291238.
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）